关于取水头部的实际应用与施工

水资源利用与保护 论文

文 献 综 述

论文题目：关于取水头部的实际应用与施工

学生姓名：古晶

学   号： 09031203

系   别： 水利与环境工程学院

班   级： 环境工程0942班

前言

  取水头部是河床式取水构筑物的进水部分。

摘要关键词：

  取水头部、岸边式、悬臂管架、真空罐、竖井、帷幕灌浆、施工工艺、新型取水头部垂直顶管设计施工。

1  介绍一种岸边式取水头部 悬臂真空罐取水头部[1]

  岸边式取水设施有固定式和移动式之分。永久性取水设施绝大多数为固定式。岸边固定取水构筑物一般有取水头部和泵房两个部分, 其中又有分建式和合建式两种。岸边固定箱式取水头部一般有集水井 包括进水井和吸水井。水下部分的施工一般要采用围堰法或沉井法。围堰法操作较简单, 沉井法施工技术要求较高, 但都受河床地质条件的, 施工费用较大, 如勘探资料不准或施工方案不当, 均可能使围堰失败或沉井报废。因此,我们从70 年代初开始, 就试用一种不用围堰或沉井施工的悬臂式岸边取水头部。

1.1  悬臂真空罐取水头部的组成和适用条件

1.1.1  组成

  由悬臂管架支撑, 钢筋砼悬臂管架, 垂直吸水管及真空罐, 水平吸水管等几部分组成。

1.1.2  适用条件和范围

  ( 1) 岸边河床较陡, 水深大于1 m 处靠岸边较近, 一般不超过8 m。

  ( 2) 岸边标高适当, 高出最枯水位3 m 以上, 高出常水位2 m 以上。

  ( 3) 取水头部一般与泵房分建, 也可合建, 水泵直接从河中吸水, 一般采用虹吸式。

  ( 4) 适宜于中小水厂的取水。

1.2  工艺设计要点

  ( 1) 这种取水头部采用半真空吊水原理, 垂直吸水管最枯水位以上的高度加吸水管的水头损失, 应小于真空罐及真空罐至水泵之间的吸水管满水时水泵启动形成的真空度( 按P0 V0= P 1 V1 计算) 。

  ( 2) 为形成尽可能大的吸水管内真空度, 真空罐内体积加真空罐与水泵之间吸水管灌水的体积宜不小于垂直吸水管最枯水位以上体积的2 倍。

  ( 3) 为使水平吸水管内空气排尽, 水平吸水管应有一定坡度, 建议采用2％~3％,连接真空罐处最高。

  ( 4) 为保持虹吸吸水管夹带空气的能力, 吸水管的流速宜采用规范中的中等以上流速。

  ( 5) 悬臂管架顶面标高应在常水位以上2 m 左右, 以便于日常维护和管理, 并减少淹没时间。

  ( 6) 如为河流取水, 吸水喇叭口的垂直进水流速一般设计成小于河水水平流速。这样可大大减少水中杂物吸入喇叭口内。

  ( 7) 吸水系统总水头损失加上最枯水位与水泵轴的相对高差之和应小于水泵的吸程。

1.3  完善措施和注意事项

  ( 1) 取水点岸边整治。如为河岸, 上、下游应尽可能整治顺直和加固, 使取水河段水流顺直稳定, 不产生回流。

  ( 2) 水流流态整治。若为河水, 经河道管理部门同意, 应将枯水期的河水导流至取水点岸边一侧( 采用在河中筑块石拦水丁坝等措施) , 以提高取水点河水流速, 防止取水口处河中泥砂淤积, 并增加取水点周围的水深。

  ( 3) 在垂直吸水管中段, 常水位以上约50 cm 的悬臂管架下设置钢栅走道, 以便于日常对取水口的清理、巡视和检修。

  ( 4) 河岸整治及悬臂管架施工应抢在枯水期进行, 以降低施工难度, 缩短工期, 节约造价。

  ( 5) 河中抛石筑导流丁坝应选在河中水深深度能够行船抛石操作, 但又不宜在水流太深、太急时进行为好。

  ( 6) 为保证吸水管严密不漏气, 吸水管管材宜选用钢管, 采用电焊焊接或法兰连接。

  ( 7) 吸水管和真空罐应用钢卡牢固固定在钢筋砼管架上, 以防洪水来时将吸水管浮起或移位而损坏。

1.4  悬臂真空罐取水头部的特点

  与常见的岸边固定箱式取水头部相比, 本取水头部具有以下特点。

  （1）施工方便。因悬臂管架高度选在常水位以上, 只有伸入河中的悬臂施工模板支架需要涉水, 在一般河床中, 枯水期在河中打桩支撑容易解决, 而泵房可选在岸上便于施工的位置。

  （2）工期短。

  （3）工程造价节省。与箱式岸边取水头部相比, 由于减少了围堰工程和水下土石方工程, 一般投资较节省。

  （4）对水位变化适应性强。根据有关规定, 一般岸边箱式取水头部进水孔上缘在最低水位以下不少于0.8 m, 下缘距离河床底不少于0.5 m, 加上进水孔的高度, 枯水期应至少有水深1.5m 以上才能满足要求。而我们的垂直向下吸水管的吸水喇叭口, 由于设计进水流速较低, 根据我们多处取水口的实施经验看, 吸水喇叭口的下距河床底, 上距水面的淹没深度有0.5 m 就完全可保证正常取水, 故最小水深有1 m 即可。且因悬臂管架可深入河中, 吸水喇叭口又可伸长缩短, 因而更能适应河中或水库、湖泊中水位变化的要求。

  （5）运行操作方便可靠。本取水头部一般采用虹吸式吸水管直接与水泵吸水口相连, 水平管和真空罐一次灌满水排尽空气后, 除了检修放空, 不需重新灌水, 也不要抽真空, 可直接开机启动抽水, 操作简单、快速而方便。因而真空罐代替了水上底阀, 不存在底阀被泥砂、杂物卡住等事故而造成漏水、漏气等问题, 运行十分可靠且减少了水头损失, 节省了电能。

  （6）维护管理简单容易。因设置了钢栅走道, 人随时可下到吸水头部检查巡视、清除杂物, 吸水喇叭口如有问题可拆下吊到管架平台上或运到车间进行检修。水平吸水管及真空罐均在常水位以上的管架上, 没有水下维护、操作, 故整个吸水系统监控和维修均十分容易。

2  大伙房水库输水二期工程取水头部竖井帷幕灌浆施工工艺[2][3][4][5][6][7]

  本文对大伙房水库输水( 二期) 工程取水头部竖井挡水部分预留岩坎的帷幕灌浆及帷幕灌浆检查工作进行了介绍。灌浆过程中严格按照灌浆和设计要求控制, 通过一系列的技术控制, 采取合理的技术处理方法。灌浆效果良好, 灌浆后满足设计的防渗要求。

2.1  工程概况

  大伙房水库输水( 二期) 工程取水头部位于大伙房水库库区左岸一突出的山梁, 灌浆施工期处于竖井基坑开挖阶段。作业面较平整, 场地高程为132..50m。帷幕灌浆孔共布设63 孔, 其中ZK - 01、ZK- 04、ZK- 05 和ZK- 13 共4 孔, 为前期补充勘探兼帷幕灌浆试验孔, 孔位分别位于取水头部左沟谷、右沟谷、上游洞线和上游左侧。因ZK- 04、ZK- 05 和ZK- 13 孔与帷幕线上3 孔重合, 故帷幕灌浆实际完成59 孔。

2.2  工程地质条件

2.2.1 地形地貌

  取水头部山体伸入库区成半岛状, 其竖井位于半岛前部。施工的作业面开阔, 有简易路可达灌浆施工作业面附近, 位于其竖井半岛近水侧上游, 近凹形左倒成条带状。施工期处于取水头部山体开挖阶段, 地表已开挖至灌浆平台132..50m 高程, 设计建基面高程92..00m, 帷幕灌浆底线采用91m。

2.2.2 地层岩性

  该区域地层岩性为太古界片麻质混合花岗岩, 细粒~ 中粒变晶结构, 片麻状构造, 多灰~ 灰黑色, 色杂, 全~ 强风化, 主要矿物成份为石英、正长石、角闪石、辉石和云母等, 岩石性脆, 较硬, 岩石大多较破碎。从岩石风化程度和岩石质量指标RQD 看, 该区域岩石岩体完整性差, 大多为节理破碎带, 上部0~ 5m 风化较严重, 呈块状、片状或碎块状; 强风化下限8~ 12m, 高角度节理发育, 节理大多顺洞轴线走向, 预留岩坎右侧节理面大多有黄色水锈或锗红色水锈, 为铁锰渲染。岩芯一般呈碎块状, 短柱~ 长柱状, 岩体总体上较破碎。

2.3  施工工艺流程

  本次施工的工艺流程为: 钻机就位-- 孔口段钻进取芯-- 铸孔口管-- 待凝-- 第1 段施工-- 第2 段施工-- 第3 段施工-- 第n 段施工-- 封孔-- 转下一孔施工。每一段施工均按钻进取芯.. 冲洗.. 压水试验.. 灌浆的顺序进行。

  施工采用自上而下分段进行。灌浆采用孔口封闭分段式灌浆方法, 达到灌浆结束标准后不待凝, 直接扫孔钻压灌下一段。采用金刚石取芯钻头钻进, 孔径采用Φ91、Φ75、Φ56mm 3 种。

  各灌浆孔孔位及孔深按设计要求进行施工。钻孔均预先埋设孔口管, 其长度均大于2m, 待凝24h 后正式进行施工。灌浆采用浑河牌PO42..5 水泥, 纯水泥浆液。

  压水和灌浆使用FEC- GJ3000 型灌浆自动记录仪全程跟踪, 收集并实时统计数据。

  施工主要耗材: 水直接取自于水库, 清水泵两级提水至集水箱, 清水钻进, 压水试验采用柱塞式灌浆泵供水。

  灌浆施工

  所有灌浆孔孔口均设置孔口封闭器, 自上而下分段钻进压水, 逐段灌浆不待凝。灌下段时上段自行复灌。射浆管距孔底一般不大于0..5m。

2.3.1  浆液比级及变换

  浆液水灰比和变浆标准要求: 灌浆浆液浓度由稀到浓, 逐级变换, 浆液水灰比为5：1、2：1、1：1、0.8：1 和0.5：1 共5 个比级。

  灌浆压力保持不变, 注入率持续减少时, 或当注入率不变而压力持续升高时, 不改变浆液水灰比; 当某一比级浆液的注入量已达到300L 以上或灌注时间已达1h，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不明显时, 变浓一级; 注入率大于30L/ min 时, 根据具体情况可越级变浓。

2.3.2  灌浆压力

  灌浆压力: 孔口段灌浆压力为0..3~ 0..8MPa; 岩面以下15m 至终孔段范围内灌浆压力采用1.0Mpa。

2.3.3  结束标准和封孔方法

  结束标准: 在一定的灌浆压力下, 当注入率不大于1..0L/ min 时, 继续灌注30min, 或不大于2.0L/min 时, 继续灌注60min, 灌浆段灌浆即告结束。

  封孔方法: 帷幕灌浆孔终孔段灌浆合格后, 采用最后一段的灌浆压力, 0..5..1 纯水泥浆进行机械压力封孔。

2.4  施工中异常情况处理

2.4.1  岩石破碎段

  钻孔方法, 对孔口风化较严重段采用干钻法; 因岩石破碎, 难以钻进时采用先压水再灌浆的处理方法, 钻进正常后继续接原工艺环节施工。为保证岩芯取获率, 采用双管短进尺钻进取芯。

2.4.2  钻进失水

  钻进中发生失水现象, 大多因岩石破碎, 风化严重, 能钻进正常的继续钻进, 一般不作灌浆处理, 控制钻速、钻进压力和冲洗水压, 发现异常提钻。

2.4.3  岩石表层冒浆或串浆

  灌浆过程中在钻孔周围岩面、岩缝发生漏浆和冒浆现象, 采用浓浆和低压灌注方法控制流量, 或停停灌灌等方法进行灌注, 能达到灌浆结束标准要求的不再变浆和降压处理。

2.4.4  机械故障停灌

  钻杆在长时间孔口封闭、孔内循环、较高压力的水泥灌注过程中, 极易在钻孔内出现凝钻或扭转困难现象, 若长时间不活动钻杆, 将会发生固钻事故。因此要求在灌浆过程中, 适时降压, 上下提升钻杆; 灌浆结束及时冲洗钻孔, 提升钻杆, 起下钻, 并进行下一段钻进。机械故障停止灌浆后, 及时恢复灌浆。

2.4.5 灌浆施工成果分析

  从总体上分析, 按灌浆施工的先后顺序来分: 序孔( 含前期勘探和帷幕灌浆先导孔) , 灌浆段长842.46m, 注入水泥145728.43kg, 单位注入量172.98kg/ m;序孔灌浆段长633..1m, 注入水泥71010.19kg, 单位注入量112.16kg/ m;序孔灌浆段长1254m, 注入水泥82534.05kg, 单位注入量65..82kg/m。序灌浆孔比 序孔单位水泥注入量递减54%,序灌浆孔比 序孔单位水泥注入量递减70%。呈现出随着孔序增加, 单位注入量按序减小的总趋势。

  本次灌浆施工的灌浆效果显著。最初基坑开挖时大量积水, 随帷幕灌浆施工结束, 基坑内积水排出后并未再出现大量渗水或涌水现象。基坑基本处于较少积水~ 旱地状态, 灌浆效果良好。

2.5  结论和建议

  本次帷幕灌浆工程, 对竖井能否安全开挖, 起到了加固和防渗的重要作用。根据以往的施工经验, 结合检查孔的压水检查结果和实际地质等情况, 提出以下结论和建议: 

  ( 1) 本次帷幕灌浆效果明显, 呈现出孔序增加, 灌浆量减少的总趋势; 

  ( 2) 帷幕灌浆中心线距开挖边线最近距离不足3m。基坑开挖采用的预裂爆破对帷幕灌浆效果有一定程度的影响, 且迎水面预留岩体较为单薄, 基坑开挖坡度直陡, 而本灌浆区域钻孔揭露岩层多高角度发育, 岩体较为破碎, 基坑开挖后岩体卸荷及原受力边界条件改变, 预留岩体失稳因素还有待论证; 

  ( 3) 从检查孔压水结果分析, 部分试验段压水透水率超过5Lu, 单排灌浆孔尚未形成整体帷幕效果。建议在原帷幕线上游距原帷幕线0.5~ 1.5m, 孔距2m, 梅花型, 增加一排帷幕进行补充加固处理; 

  ( 4) 因预留岩体较为单薄, 增加的补强帷幕灌浆孔灌浆压力仍不宜太大, 建议限压灌注, 特别是左侧岩体薄弱的拐角处, 在施工中应加强防范观测。

3  一种新型的取水头部设计施工方案[8][9][10]

  取水头部一般指地面水取水工程的进水构筑物,包括进流装置，取水管道，支承结构以及必要的护围，导治等附属设施。取水头部工程因地而异,几乎各不相同,必须因地制宜,合理选型与布置，取水头部的结构形式种类繁多, 根据受力条件和构造特点大致可以分为: 基本形式：重力式，沉井式，桩架式，悬臂式;其他形式：底槽式，隧洞式，复合式等。其中, 重力式的应用最广, 又可以分为墩形，箱形和沉船形。

  “浅筑堰、深下水”是取水头部结构施工的惯用方式。当水深2~3m 左右时, 常用围堰、筑岛或搭设栈台；水深接近或超过5m时,多采用水下作业,或与预制吊装、浮运沉放等配合。施工方法的选择应从实际出发,力求可靠易行、经济合理。 

  本部分结合工程实践介绍了一种新型的取水头部设计施工方案, 其适用于覆土与水深都较深的取水头部。

3.1  工程概况

  近年来, 丹阳江取水工程黄岗湾城市取水口屡次受到上游Ikm 处的化工区企业偷排工业废水的污染, 出现挥发酚、铁、苯胺类等指标超标,严重影响了丹阳市饮用水的水质, 引起了丹阳市的高度重视。为了切实保障丹阳市100多万人民的用水安全, 丹阳、市多次召开会议专题讨论丹阳市供水问题, 决定实施黄岗取水头部延伸工程。 

  取水管(头部)设计规模为50万m3/d,采用2根D N1800自流管,其中一根至工作井长约1700m,另一根至工作井长约1670 m。由于管线过江需穿越长江主航道, 管线施工采取顶管过江已为业主、航道、水文、设计等各方一致意见, 通过方案比较, 采用钢曲线顶管施工。

 取水头部设的2 座, 采用喇叭管取水头部,垂直向上式。根据航运要求, 水深15m以下可对水面航运不产生影响, 取水头部顶标高定为-15.370( 黄海绝对高程)。

  由于本工程的取水管需穿越长江主航道, 根据DN180顶管线路, 顶管在取水头部处的中心标高分别为-48.00m和-43.00m,而河床底部的标高约为-25.00m, 长江水面标高约为3.00m ,取水管埋深达到25m ,水深也接近30m。由于本工程的特殊性, 

对取水头部的设计施工方案进行了比选。 

3.2  取水头部方案比选

3.2.1 传统方案

  由于水深达到30m,围堰、筑岛等方法基本不可行。取水头部若采用传统的水下开挖法, 则需要大量的水上作业船舶和专用设备, 工程量巨大, 不仅工程费用昂贵，而且容易受到风浪的影响, 施工难度大、周期长。总体来说, 对于本工程而言, 传统的取水头部方案可行性不高。

3.2.2  垂直顶管法

  垂直顶管施工法是一种新型的施工工艺近年来在给排水口的施工中得到了较为广泛的应用, 与其他传统工艺相比,垂直顶管处于已建管道内施工,施工时不受潮汐、风浪.、气候变化等自然的影响, 能够“全天候”施工, 施工设备简单，施工成本低。

  但针对本工程的特殊情况, 也存在着如下一些问题。 

  ( 1)由于是在江海底下施工, 所以特别要注意防止漏泥漏水, 因此顶盖与管节的接缝, 以及管节与管节间接缝处的止水处理十分重要, 本工程接口处水深达到50 m,止水难度极大。 

  ( 2)经过工艺计算,本工程每根DN1800取水管需要6根DN650 垂直顶升管, 由于垂直顶管直径较小,人员无法进人操作, 只能采用闷顶.本工程顶管覆土厚度超过25m,根据土体剪切破坏法计算得出,垂直顶管阻力极大,可能出现顶不动的情况, 必

要时还必须采取引孔、减阻、水冲等措施, 施工难度较大,施工周期难以确定.

  可以看出, 相比于传统的水下开挖法,垂直顶管法能够有效减小工程量, 降低施工成本, 但仍然存在一些技术难题与不确定因素。如何在有限的工期内安全、保质、保量地完成取水头部的施工, 成为本工程最大的难点。通过业主、设计单位以及施工单位的共同研究与探讨, 提出了一种新型的取水头部施工方案, 在不增加工程造价的情况下, 既满足了设计的取水要求, 又有效降低了施工难度, 缩短了工期, 取得了良好的效果。

总结部分  

  本文依次介绍了悬臂真空罐取水头部、取水头部竖井帷幕灌浆施工工艺、新型取水头部设计施工方案。

  在一定条件下，采用悬臂真空罐取水头部能够减少施工难度，缩短施工工期，降低工程造价。

  在取水头部竖井帷幕灌浆施工工艺中结合大伙房水库输水二期取水工程的实例，对取水头部竖井挡水部分预留岩坎的帷幕灌浆及帷幕灌浆检查工作进行了介绍，通过一系列的技术控制，采取合理的技术处理方法，灌浆效果良好，灌浆后满足防渗要求。

  新型取水头部设计方案中结合工程实践, 针对覆土较深、水深较深、不适合水下开挖的取水头部,介绍了一种新型方案, 具有一定的参考价值。相比于传统的取水头部方案, 其优势主要体现在:有效减小了水下开挖工程量以及潜水员的工作量, 降低了施工难度;施工周期短且可控;相比于垂直顶管法, 工程造价基本没有增加。

参考文献

[1]钟德铃,彭雪峰 介绍一种岸边式取水头部 悬臂真空罐取水头部 给水排水Vol. 28 No.7  2002

[2] 花艳. 渔洞水库大坝基础帷幕灌浆施工及其效果[ J] . 中国西部科技, 2006, 19: 24- 26 

[3] 谭晓华, 王爱军. 黑泉水库固结灌浆及帷幕灌浆技术[ J] . 青海科技, 2000, 7( 4) : 49- 51 

[4] 肖冬顺. 天生桥一级水电站趾板基础帷幕灌浆施工[ J] . 铁道标准设计, 2003, ( 10) : 153- 154 

[5] 蒲洪, 王荣新. 狮子坪水电站坝基帷幕灌浆施工工艺[ J] . 四川水利发电, 2010, 29(4) : 30- 33 

[6] 占仲国. 某石灰岩矿山超深竖井帷幕灌浆设计[ J] . 资源环境与工程, 2008, 22(6) : 584- 587 

[7] 佟晓娜,于海波,姜伟民.农业与技术Vol. 30  No. 6

[8] 给水排水工程结构设计手册(第二版) .中国建筑工业出版社, 2007 

[9] 中国工程建设协会标准.给水排水工程顶管技术规程CECS 246：2009, 中国计划出版社

[10] 王寿生,葛春辉.垂直顶管计算方法的探讨.特种结构。2009（10）

[11] 曾磊.一种新型的取水头部设计施工方案.特种结构Vol. 28  No. 4